岩爆过程的能量分析

能量积累与消耗是岩爆机理研究的重要内容之一。本文从地应力作用和晶体结构断裂两方面对其进行分析,得出地应力作用对岩爆能量积累来说是一个长期潜在的过程,而从岩石裂纹瞬时扩展及裂纹两侧矿物晶体拉伸破坏角度讲,岩爆能量的积累过程则是短暂的、瞬时的。岩爆释放的能量转化为表面能、动能及热能等形式。控制动能所占比例对防治岩爆或降低岩爆烈度有重要意义。     

岩爆动力源分析及岩爆防治原则探讨

岩体能量的积聚与耗散是岩爆机理研究的重要内容之一,岩爆过程释放的动能是裂纹持续快速扩展的主要驱动力。首先分析了岩体岩爆动力源,从岩爆动力源的形成与释放的角度将岩爆分为自由表面动力失稳和深部剪切失稳断裂两种类型。并在此基础上,在岩爆防治方面提出了耗能支护的防治概念,从能量角度建立了岩爆的防治原则。     

地应力与岩体红外辐射现象理论初探

针对发生在井上、下与地应力有关的大量低温红外辐射现象，提出了电弧理论、流动电位理论、压电效应理论等宏观解释。把地应力加速积累过程中产生的各种效应作为激发能量源，提出了岩体矿物中“原子振动能量子”跃迁机理。这项理论研究的重要意义在于，对岩爆、地震、远期气象预报是十分有价值的红外信息。     

岩石剪切破坏过程的能量耗散和释放研究

地下工程的特殊地质环境和岩石自身的构造(存在微裂隙)决定了岩石的破坏主要以压剪破坏为主.而地下硐室的破坏如岩爆等也以剪切型破坏为主.剪切型裂纹与张性裂纹的不同使得岩石破坏时释放出较大的能量.岩石破坏过程中自身力学参数的弱化,使得应力应变关系并不能准确反映岩石变形破坏的本质.因此,以能量的耗散和释放原理,分析了岩石变形破坏过程中的能量变化,并以单轴压剪破坏为例研究了岩石破坏过程的各种能量的传递、转化关系,计算了压剪破坏后岩石释放的各种能量所占总变形能的比例,对认识硐室围岩应力重分布后积聚的可释放变形能的能量分配,硐室发生岩爆时动能大小及岩爆的量级,具有一定指导意义.     

基于能量分析的岩爆倾向井巷支护方法

国内多个金属矿正在建设超1 500m深的井巷工程,随之遇到的岩石力学问题更加突出。多数金属矿具有构造复杂、岩质坚硬、地应力高的特征,采矿活动及井巷工程开挖扰动易引发岩爆灾害发生。岩爆成为深井矿山开采建设主要工程灾害之一,应对岩爆成为深井开采的首要任务之一。文中基于能量分析,揭示了岩体发生岩爆的破坏机理;详细分析了岩爆倾向井巷支护机理及不同支护结构单元的性能指标,给出了井巷支护克服岩爆动能的确定方法,以及应对不同规模岩爆类型选取支护单元的原则。在岩爆倾向性明显的深部金属矿开展井巷工程活动,应用能量分析法能较合理地初步确定支护结构参数。     

岩爆的复合能量动力学机理

发生岩爆受多种复杂因素控制。如何从其现场实录出发,寻找其本质,是一个极其困难的工作。通过对各种岩爆能量机理分析,提出了基于复合能量为根本的岩体快速破裂后能量叠加引起工程围岩体动力破坏的岩爆发生机理。依据岩体裂纹快速起裂的能量判据,分析了裂纹开裂、扩展、贯通到煤岩运动的准静态到动态的过程。从岩体卸荷、流变的特性出发,阐述了基于复合能量条件下的止裂技术在应用于防治岩爆时的理论基础。     

厂坝铅锌矿深部矿区岩爆发生机制及危险区域划分

针对厂坝铅锌矿深部开采过程中的岩爆现象,对其岩爆发生机理进行了研究。采用AE法对矿区地应力进行了测量,掌握了深部地应力的分布及变化规律;建立小厂坝矿区三维可视化模型进行数值计算,以Barton岩爆判别标准建立矿区岩爆倾向性判断准则,对矿区的岩爆危险区域进行划分。研究结果表明,小厂坝区域的地应力以水平构造应力为主,最大水平主应力为36 MPa,属较高应力状态,水平应力是小厂坝岩爆的主要能量源泉,这与现场顶板岩爆较两帮的岩爆更为严重的现象相一致;数值模拟结果显示,强岩爆区往往出现在空区附近,且埋深越大,强岩爆倾向区域范围越大,弱岩爆倾向区域随着深度的增加有向中岩爆倾向过渡的趋势。     

大台井深部水平岩爆的地质力学机理分析

针对木城涧煤矿大台井在-510 m水平掘进过程中所揭露出的两类不同性状的玄武岩,采用实验室内试验和现场测试相结合的方法,从岩石力学性质、细观结构、地应力等方面分析了井下产生岩爆的地质力学机理。宏观力学性能测试表明,具有岩爆性的B类玄武岩强度大、抗变形能力强,峰前容易积聚大量的变形能,峰后能量释放更为迅速强烈;B类试件在单轴压缩过程中,从30%极限强度开始便出现声响,最终试件破坏崩解成碎块。SEM扫描显示,与A类玄武岩相比,B类岩石结构排列整齐致密,不存在裂隙;B类岩样中的硅、氧含量明显偏高,地质硅化作用明显。井下现场地应力测试表明,该区域的最大主应力为近水平方向,实测值达到45.69 MPa,方位基本与巷道北帮垂直。大台井B类玄武岩的特殊细观结构和元素组分决定了其宏观岩爆倾向性,岩石本身的物理力学性质是岩爆发生的内因;地应力是岩爆发生的主要力源条件,其控制着岩爆发生的区域和能量大小。     

岩爆孕育发生过程中的微震活动规律研究

为提高采用微震监测技术预报岩爆的准确率,基于最小耗能原理,通过理论分析,花岗岩室内试验和数值分析等方法,揭示了岩爆的孕育发生机理,提出了岩爆发生的准则,建立了岩爆的孕育发生过程的本构方程,探讨了由声发射频次确定的损伤演化曲线与岩爆的损伤演化曲线之间的关系,揭示了应力、能量积累转移与微震活动空间分布规律之间的内在联系.研究结果表明:岩爆的孕育过程是以损伤耗散为主的储能过程,发生过程是以塑性耗散和弹性能释放为主的能量释放过程;同时满足裂纹扩展完成准则和极限储能准则时发生岩爆;由声发射频次确定的损伤演化曲线与岩爆的损伤演化曲线有很好的一致性;通过监测微震活动空间分布规律可揭示岩爆孕育发生过程中应力和能量分布情况,为建立岩爆预报模型提供依据.     

支持向量机在岩爆预测中的应用

岩爆是高地应力地下工程中的地质灾害之一,其影响因素存在极其复杂的非线性关系。选取岩石抗压强度、抗拉强度、弹性能量指数和洞壁最大切向应力作为岩爆预测的特征向量,建立岩爆预测的支持向量机模型,对岩爆的发生及其烈度进行预测。预测结果与实际情况及其他方法相吻合,表明支持向量机在岩爆预测中的可行性和有效性。     

深井火成岩侵入工作面冲击矿压防治

基于赵楼煤矿1302工作面运输巷火成岩侵入区二次底板型冲击矿压的分析,指出较高的原岩应力和底板火成岩与围岩变形不协调,使得火成岩区产生应力集中和弹性能量积聚,火成岩突然断裂导致能量突然大量释放是底板冲击的根源。通过煤体卸压爆破、底板预裂爆破可减小火成岩两翼的应力和火成岩中部所受的弯矩,可有效改变火成岩的受力状态和能量释放速率,达到控制底板冲击矿压发生的目的。     

巷道围岩间隔性区域断裂破坏的能量方法分析

通过真三轴试验证明了卸载可能会使岩石内产生拉应力;讨论了岩石间隔性区域断裂过程中能量转化与岩石破坏的内在机制。指出岩石间隔性区域断裂是岩石在能量耗散与能量转化下的综合结果。能量耗散使岩石产生损伤,并导致岩性劣化;能量转化则是引发岩石拉伸破坏的内在原因。推导了岩石间隔性区域断裂半径的计算公式。     

煤岩中弹性能量的表征与冲击地压预测方法研究

分析了煤岩储能区冲击效应现象的发生机理及基本特征,深入探讨了围岩深部原生煤岩体固有的弹性能以及冲击效应的特征;揭示了冲击效应诱发煤岩力学性能及物理性质的变化。基于这些有意义的变化,探讨性地提出了冲击地压的应力监测法和能量型磁电监测法的技术思想,为冲击地压的预测提供了新的方法。     

耿村煤矿13230工作面冲击危险性评价及防冲措施研究

针对耿村煤矿13230工作面超深高瓦斯厚煤层巷道冲击地压等问题,分析了诱发13230工作面发生冲击地压的因素,对工作面支承压力进行力学分析,建立力学模型,结合叠加应力理论给出了工作面支承压力计算公式,评估了冲击地压风险发生情况。根据风险评估结果,提出了治理、预测预警、卸压冲击地压综合防治系统,建立了“钻屑和应力监测为主、微震矿压监测”为辅的综合监测预警体系,该防治预警系统对煤矿冲击矿压的防治起到良好的效果。     

Coal damage mechanism in the developing process of coal and gas outburst

Based on the damage analysis of elliptical aperture, the mechanism of coal damage in the developing process of coal and gas outburst was researched. The results show that the damage to coal by gas is mainly caused by the concentrated tensile stress appearing near the endpoint of the pores. Fractures in coal, gas pressure, ground stress and the tensile strength of the coal matrix are the major controlling factors of this kind of damage. When the ground stress releases abruptly and the gas pressure is high, tensile failure will occur around the endpoint of the small pores due to gas pressure, and the coal may be broken up like powder; this is called pulverization. Otherwise, when the gas pressure is low, the tensile stress can only occur around the endpoint of the large pores and fractures due to gas pressure, the fractures in coal extend and link together, the fracture extension direction is statistically perpendicular to the direction of the minor principal stress. This kind of damage is shown as the stratified spall around the outburst hole. Supported by the National Basic Research Program (973) of China (2005CB221503); the Key Project of Natural Science Foundation of China (50534080)     

冲击矿压巷道支护锚杆杆体材料优选

针对目前冲击矿压巷道锚杆支护存在变形量大、锚杆易破断的问题,在实验室对HRB400,HRB600和CRM600三种锚杆杆体材料进行了常规力学性能试验和冲击载荷下力学性能试验。试验结果表明,CRM600锚杆材料不仅能够满足常规巷道支护的要求,在冲击载荷作用下表现出优越的瞬时延伸性能和吸能能力。在瞬时冲击载荷作用下,CRM600锚杆材料总变形量为HRB600锚杆材料的7.9倍,为HRB400锚杆材料的1.5倍;冲击全过程总吸收能量为HRB600锚杆材料的4.2倍,为HRB400锚杆材料的2.1倍。CRM600锚杆在冲击矿压巷道支护井下工业性试验中克服了锚杆破断的问题,巷道变形得到有效控制。     

Safe stress assessment in the strength concept by Zhurkov

The paper proposes an assessment method for safe stress in the kinetic concept of strength based on the warm-up drift technique in the model of a steady state with a broken bond. The authors added molecular interaction potential with a second potential energy minimum that corresponds to an excited molecule with broken bonds with its neighbors. The quasi-homogenous fracture model with using macro-values of a continuum has yielded that safe stress for metals and salts equals 10–20 % of their temporal tensile strength.     

突出和冲击地压中层裂现象的机理研究

针对突出和冲击地压中常出现的岩壁应力突然卸载的力学条件,建立简化的层裂发生及发展数学模型。利用动力学理论,分析了岩壁应力突然卸载时应力在岩体中的传播规律,得出了层裂破坏的原因,并通过数值模拟方法再现了层裂过程。结果表明,冲击地压中层裂现象产生的主要原因是由于地应力突然卸载而形成卸载波,该卸载波向深部传播过程中发生部分反射,反射波和入射波叠加使岩石受拉应力而破坏。煤与瓦斯突出中层裂现象的产生不仅受到卸载波反射叠加的影响,还受到瓦斯的影响,分别表现为高压游离瓦斯参与了煤中裂隙的扩展,以及伴随着层裂的间断性出现,瓦斯压力的间断性释放又会产生向深部传播的卸载波。     

深部软岩巷道开挖变形影响因素的数值分析

根据深部软岩巷道变形力学机理,采用不连续变形分析(DDA)软件对影响巷道开挖变形的岩体力学因素,包括地应力、围岩破裂面倾角、围岩块体弹性模量、围岩块体泊松比、围岩破裂面黏结力、围岩破裂面内摩擦角、围岩破裂面抗拉强度变化引起围岩变形位移的规律进行数值模拟研究分析。结果表明地应力是影响围岩变形的最重要因素,影响围岩变形的诸多因素指标存在临界值,得出了影响围岩变形位移的围岩特性因素重要性顺序,提出深部软岩巷道围岩控制的关键在于及时加固围岩以提高其残余强度,优化支护形式,在围岩中形成关键承载结构以阻止变形区的扩展。